CN1309764A - 光纤压力传感器(及变型)和制作柔性反射膜片的方法 - Google Patents

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伊夫哥尼·M·迪亚诺夫
米克黑尔·I·贝洛沃洛夫
米克黑尔·M·巴布诺夫
瑟盖·L·西米诺夫
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    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • G01L9/0079—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light with Fabry-Perot arrangements

Abstract

本发明涉及用光学系统进行压力测量的技术领域,并可以用在医药等领域。本发明的压力传感器包括Fabry－Perot谐振子干涉仪。该干涉仪设置在具有4%菲涅耳反射的单模态光纤的一个端面上。谐振子的可动反射镜由安装在一个毛细管端面的弹性膜片构成。这个反射镜也可以由光纤段的端面构成。其中,所述光纤接合到一个弹性膜片的中心,而该膜片在毛细管内气密封了一个气体体积。形成Fabry－Perot谐振子的光纤端面设置在另一个毛细管内。制造这种传感器的方法包括:向毛细管中插入一段光纤,将聚合液体从所述毛细管端面侧送入其内,其中所述液体形成堵塞毛细管端面的薄膜。光纤段的端部插进另一个毛细管,并形成一个间隙,其中,所述另一个毛细管包括一个单模态光纤并插入第一毛细管中。

Description

光纤压力传感器(及变型)和 制作柔性反射膜片的方法
本发明涉及用光学装置对流体静压力和/或快速变化压力进行的测量。
常规的光纤压力传感器包括毛细管和安装在毛细管一端的膜片，光纤沿毛细管的轴向安装在该毛细管中[G.He,F.W.Cuomo,A.J.Zuckerwar.“用于光纤压力传感器的膜片尺寸和灵敏度”,Proc.SPIE,1991,1584卷，152-156页]。在该光纤传感器中，用于测量膜片偏移的光信号施加到一个芯直径50μm、包层直径120μm的多模态传输光纤，从压力偏移膜片反射的光被六个类似的多模态光纤收集，这些光纤围绕该传输光纤并形成具有致密均匀的光纤填充物的束。传感器的感测件是一个厚25.4μm的镀有聚酯薄膜的膜片，这不利于传感器的高频率特性。
这种传感器的缺点是由于使用了多模态光纤，而使其灵敏度不高。这些多模态光纤阻碍形成测量压力用的干涉仪，并且当收集由膜片反射的光时，在没有紧密靠近光场的光纤芯中产生非常大的光损，而且，输出信号部分密切依赖于膜片尺寸和光纤束端部与膜片之间的距离。上述的压力传感器基本上是一个具有低的膜片变形-光信号转换传导性的模拟器件。
最相关的已有技术是一个包含毛细管的常规光纤压力传感器，在毛细管中装设的单模态态光纤能沿毛细管轴向移动[K.A.Murphy,M.F.Gunter,A.Wang,R.O.Claus,A.M.Vengsarkar.“非本征Fabry-Perot光纤传感器”，第8届光纤传感器大会，1992年1月29-31日，Monterey,CA Conf.Proc.,193-196页]。这种干涉仪传感器基于低Q-因数的Fabry-Perot干涉仪，该干涉仪由具有4％单模态态光纤菲涅耳反射的破碎端面和用环氧树脂固定在玻璃毛细管内的多模态光纤的端面形成的。该传感器对改变端面之间间隔(腔长度)的压力变化产生正弦波干涉响应，并显示出高的压力-腔长度(以及相应的传感器输出的)转换传导特性。
上述传感器的缺点是，由于用作可动反射镜的多模态光纤段在结构上被固定，所以传感器不能高精度地检测气体或液体的压力，并且也没有解决将多模态光纤连接到膜片和膜片配置本身的问题。
本发明的目的是改进压力传感器的灵敏度，增大其动态范围，并提高它的温度和振动稳定性。
上述目的可基于以下事实而实现，在压力传感器的第一变型中，干涉仪的可动反射镜是金属的或镀金属的柔性膜片，柔性膜片的直径明显地大于光纤外径，这可以在膜片中心处大于激光辐射波长的数量级范围内，提供精确的位移，并增大压力测量的动态范围；在压力传感器的第二变型中，柔性膜片是带有粘贴在膜片中的短长度多模态光纤的有机硅聚合物，该多模态光纤段具有扁平的端面、并用作测量干涉仪的可动反射镜。另外，还提供了一个制作用于高灵敏度传感器的具有内粘接光纤段的柔性膜片的方法。
包括设备的各种变型和用于制作设备部件的方法的本发明统一于一个单一的发明构思。
下面结合附图对本发明进行具体说明，将使本发明的这些及其它特征和优点变得更加清楚。在附图中：
图1和2是光纤压力传感器的变型；
图3是压力传感器测量系统的框图；
图4是传感器对压力变化ΔP的干涉响应图；
图5是在模拟和数字测量中基于压力传感器的校准图；
图6是压力传感器制作过程的基本步骤图。
参看附图，用于根据膜片的小振幅位移来测量高频压力变化的光纤传感器(图1)包括单模态光纤1、毛细管2、第二毛细管3、柔性膜片4、环氧接合部5、和由光纤1的端面7与膜片4构成的Fabry-Perot干涉仪6。
能够以更高灵敏度测量压力的光纤传感器(图2)包括单模态光纤1、毛细管2、第二毛细管3、柔性膜片8、带有反射端面10的多模态光纤段9、环氧接合部5、和由光纤1和9的相应端面7和10构成的Fabry-Perot干涉仪6。
在压力传感器中(图2)，毛细管2的内径比多模态光纤段9的外径大20-30μm，以允许光纤段9沿纵向自由位移。光纤段9的另一端与单模态光纤7的内粘接端轴对称地内粘接到柔性聚合物膜片8中心，使得干涉仪能够精确测量腔长度的变化、进而精确测量压力P的变化。
根据本发明设计的、用于测量0.5-1.5atm范围内流体静压力的灵敏的防干扰光纤传感器，具有两个测量标定标度：灵敏度为0.01atm的模拟标度、和分辩率及最小灵敏度为10-4atm的高灵敏干涉仪标度。使用测量腔长度的光学方法和探测光的激光源能够改善灵敏度、提高压力传感器的温度和振动稳定性、并使传感器基本上完全不受电磁干扰的影响，该压力测量方法是不连续的(persistence-free)。
压力传感器(图2)是在单模态光纤1端部的低Q-因数Fabry-Perot腔/干扰仪6，在二氧化硅玻璃/空气界面进行4％菲涅耳反射。腔的另一个可动反射镜是短(1-3mm)光纤段9的端面10，短光纤段9具有小的惯性质量、并内粘接到直径为500-700μm的柔性膜片8的中心，柔性膜片8在第二毛细管3内紧密封闭一个小的空气体积(1-3mm3)，外径为0.5-0.9mm。形成Fabry-Perot腔6的光纤1和9的端面7和10以大约50μm的间隙设置在内径为145-170μm的毛细管2的内部。这使严格设置在中心的可动光纤段9基本无摩擦地沿轴向自由移动，因此，在横向的机械振动的情况下，能够提供干涉仪6的不变的几何形状和振幅。柔性膜片8的材料的小惯性质量和内粘接的短光纤段9针对纵向加速度产生的惯性力，提供了非常大的结构稳定性，而且沿横向，加速度力不破坏干扰仪6的几何形状，并且基本上不影响压力传感器的工作。石英毛细管2和3的高热阻(线性膨胀系数小于10-61/℃)和毛细管内的小体积空气可增大传感器在温度变化下指示和标定的稳定性。计算和实验表明，本发明传感器的温度稳定值是ΔP/ΔT≈0.001 atm/℃。将作为干线光纤的光纤1的端面7反射的单模态辐射与从可动光纤段9的端面10简单反射并返回输入到光纤1的、相同几何形状的光进行组合(干涉)，产生了干涉仪信号，这时，由于干涉仪6的腔由具有4％菲涅耳反射的光纤1和9的破碎端面7和9形成，因此，在长光纤1端部产生了传感器工作时的正弦波干涉响应的再现性。
当压力作用在柔性膜片8上时，其变形值被(转变)转换成干涉仪6的腔长度L的变化。长度L是光纤1和9的端面7和10之间的距离。该长度变化由干涉仪6正弦波响应的相位和/振幅来测定。
I=I0(1+sinφ)，
这里，拍频波形相位φ=4πL/λ,λ是测量系统中(图3)激光源11的工作波长。激光源11可以是带有输出光纤12的激光器组件。图3还示出了方向性的X或Y型耦合器13，以将激光源11的光输入到单模态光纤1、并将光输出到光检测器14和压力传感器的干涉仪6。除了上述的部件之外，压力传感器测量系统(图3)还包括激光激励/调制系统(未示出)、(如果需要的话)内部光隔离器、前置放大器和可向记录设备(记录器，计算机)输出的处理电路(在简单的情况下，为解调器或相位检测器)。由于通常用于精确测量的是超模态激光器，而超模态激光器的辐射频谱会因组合腔作用所产生的返回光而变形，因此组件中必需使用光隔离器。测量系统中的正弦波形在光检测器14中产生，光检测器14中的光电二极管(锗，硅或四组件光电二极管)用作从腔端面反射的二个光场的全光场的平均率检波器。
用于传感器干涉响应的公式从已知的Eiry函数得出，同时在这个例子中设定腔反射镜的次反射系数值R=0.04＜＜1。
测量压力P正比于腔长度变化ΔL，所以可根据干涉响应相位变化Δφ，按适当的响应标定确定测量压力P：
P～ΔL=λΔφ/4π
一旦在标定过程中建立了可基于校准过程中建立了比例系数或设备函数，上述表示腔长度与相位变化之间简单(线性)关系的公式就能够用于绝对压力测量。目前已经很好地实现了正弦波形的相位测量，并且可在对寄生和其它相关物理影响(温度等)进行充分隔离的前提下设计出精密的计量仪器。本发明的压力传感器(图2)由于尺寸小、重量轻而且在结构上不采用金属，而能够设计成这样的仪器。本发明压力传感器(图1和2)上述质和量的特征的组合与常规传感器设计不同。通过改变膜片8的柔性、尺寸和材料，技术人员可以设计出具有本发明结构的传感器，这些传感器会具有对于各种应用(例如在10-4atm-10-100atm范围或更大范围测量压力)来说最佳化的特性。
由于传感器结构(图2)中测量Fabry-Peror腔的原长度较小(约50μm)，所以辐射源11可以是辐射带宽Δλ=2-3nm(辐射相干长度不小于1mm)的0.8-1.6μm范围的普通半导体激光器、或是具有窄发生频谱(带宽＜10-3nm，辐射相干长度是1-10m)的ROS激光器。后一种激光器最好在测量压力分辩率有严格要求、或必需测量小的绝对压力值时使用，该激光器要求精密的维护和测量系统中传感器相干响应相位的测量。
图4表示典型的压力传感器响应(示出的响应区在约1atm压力的±0.1atm范围内)。在从0.5atm-1.5atm的测量压力范围内，观察到60个信号拍，基于压力的周期数N的关系曲线在0.5atm-1.5atm中的压力变化基本上是线性的(图5)。在光检测器14输出端，一个信号变化周期对应着干涉仪6的腔长度变化，更精确地讲2ΔL，为工作波长值，在本例中λ=1.5μm。在这个压力变化范围内，膜片8的全部弯曲是ΔL=60λ/2=30λ=45λm。N(ΔP)关系曲线直线性表示膜片8在弹性极限内工作，并且显示中没有看到延迟和滞后。该测量结果和传感器响应是完全可以重复的。N(ΔP)关系曲线是这个传感器的标定关系曲线。简单地数周期数就可以确定压力，每个周期的分辩率为ΔP/ΔT≈1/60=0.017atm的。当以对周期数计数模式操作时，压力传感器是数字式(或准数字式)测量仪器，它在一些应用中具有突出的优点。
图4还表示传感器正弦波响应的包络线以模拟形式构成第二标定曲线(图5所示)，其形状同从光纤9可动端面10所反射的光的输出效率与端面7和10之间距离间的关系相关；随着压力的增加，端面7和10接近，干涉仪7腔体变短、且干涉信号振幅增加。振幅增加表明压力增加，当以数字模式操作时，这一事实可用于建立压力变化标志。最后，干涉仪操作点可选在正弦波响应中心(图4)，这时，传感器(图2)和系统(图3)利用很大的转换传导性能可在感测小压力变化的条件下工作。实验表明，在这种情况下，能够很容易地实现最小ΔPmin≈10-4atm水平的压力灵敏度/分辩率。这个数值取决于记录设备的噪声状况，通过适当地选择处理方法可将该数值增加1-2个数量级的幅度。
为了制作压力传感器(图2)，在开始阶段，将长3-5mm的毛细管2和3在位置5处用环氧树脂接合起来，沿光轴有1-2mm的不同心度。这构成了传感器外壳。在第二阶段，利用XYZ三轴工作台在径向以0.5-1mm的深度将多模态光纤9的端面10插入第一毛细管2，使光纤9不接触毛细管2的内壁、并位于毛细管的轴线上。在第三阶段，将少量聚合液15添加到插有光纤9的毛细管3端面的侧面、以浸润光纤9和毛细管3端面。之后，立即用干纤维段或细丝除去多余的液体15。由于制成毛细管3和光纤9的硅玻璃的良好的浸润性，液体15被引入毛细管3，聚合液体15形成弯月面，该弯月面自动地将光纤9设置在毛细管3的中心，并形成柔性膜片8。一旦液体15聚合，光纤9的伸出端被切去。在第四阶段，具有从端面7具有4％菲涅耳反射的单模态光纤1以0.5mm的深度插入毛细管2。之后，用环氧树脂在位置5浸润光纤1，并将光纤1插向多模态光纤9。基于所需的压力测量范围和膜片8的柔性，在光纤1和9的端面7与10之间建立30-300μm的间隙。通过在制作处理中改变膜片8的厚度或选择适当的聚合物，可使膜片8的柔性在某一限定范围内变化。压力传感器灵敏度的再现性(图2)由在最薄位置处厚度为0.2-0.5mm的膜片的再现性决定。这种压力传感器的特征，包括内接合到膜片8的短多模态光纤段9，保证了不论膜片8的形状如何，均能将其变形转换成毛细管2内干涉仪6的光学腔长度的变化。重要的只是膜片柔性和在聚合物仍是液体时由表面张力提供的轴对称形状。
压力传感器(图2)的再一个特性限定其响应速度。由于可动光纤段9插入内径仅比光纤9外径(125μm)大20-30μm的毛细管2中，当它快速运动时(泵吸作用)，空气会阻碍光纤9的运动，这将限制它的位移。传感器干涉响应与外压力变化频率之间关系的测量表明，传感器的频率范围被限制在600-700Hz范围内。因此，传感器(图2)被看作一个较低频率的、适于测量流体静压力或慢速变化的压力的传感器。当平滑的压力变化伴随有涡流和湍流，以及应该能够被传感器(图1)检测到的高频声音信号时，传感器的这些性能可以是很有用的。
实例数据证明，腔长度轴向变化2ΔL的值为λ=1.5μm时，会产生一个干涉响应变化周期，该周期对于着一个大约0.01atm的测量压力变化ΔP，按拍周期的分辩率不低于δP=10-4atm。根据这些数据可知，这种测量激光系统(图3)能够感测幅值为δL=λδP/ΔP≈10nm的膜片8和可动光纤9的端面10的最小绝对位移。
为了制作压力传感器(图1)，单模态光纤1固定在毛细管2中，使其端面7伸出约1mm，用环氧树脂将厚度10μm的铝箔制成的膜片4安装到毛细管3端面，以密封1-2mm3的内部体积。由于铝箔的高反射系数(R≈0.95)，所以单模态光纤的端面7与膜片4平面之间的间隙能够增加到100-200μm，以平衡光检测器14(图3)干涉信号的强度并得到正弦波干涉响应，而不会牺牲传感器测量系统的光效率。由于铝膜片的良好柔性和它的小厚度和直径(＜1mm)，压力传感器(图1)显示出高频特性，并能测量上限频率高达100kHz的压力变化。显然，由于单模态光纤1的端面7与膜片4之间的原有间隙较大，因此传感器(图1)的动态范围比传感器第二变型(图2)的动态范围宽。
压力传感器(图2)的实验数据已经得到(图4和5)，其中，硅玻璃毛细管3的长度是3mm、外径是1mm、内径是0.7mm。硅玻璃毛细管2的长度是3mm、外径是700μm、内径是145μm。毛细管2以1-2mm的深度插入第二毛细管3。光纤1和9的外径是125μm。光纤9以0.5mm的深度插入毛细管2。柔性膜片8由有机硅聚合物构成。其厚度在窄的部分是0.3-0.5mm。光纤1和9的端面7与10之间的距离是50μm。光纤段9从膜片伸出1mm。
本测量系统中的辐射源11(图3)是具有输出光纤12的激光器组件，该组件为波长1.5μm和辐射带宽Δλ≈10-4nm的超模态半导体ROS-激光器。为了将激光源11的光输入到单模态光纤1、并将光输出到光检测器14，使用定向的Y型耦合器13。光检测器是PD-10G型锗光电二极管。
本发明适用于飞机和小航天器的气动力学研究、并可应用于包括小力微型夹持的机器人工程学、远距离压力监测(在油井、管道、汽缸内)、医药医疗和生物学研究、水生学、安全系统中。

Claims (35)

1．一种光纤压力传感器，包括Fabry-Perot干涉仪，Fabry-Perot干涉仪的一个反射表面是一个单模态光纤的端面，该单模态光纤沿一个毛细管的轴线安装并固定在所述毛细管中，其特征在于，该传感器还包括一个第二毛细管和安装到所述第二毛细管一个端面的柔性膜片，所述膜片的一个表面形成Fabry-Perot干涉仪的第二反射表面，所述毛细管沿所述第二毛细管的轴线安装并固定在所述第二毛细管的另一端面侧。
2．如权利要求1的传感器，其特征在于，所述毛细管由硅玻璃构成。
3．如权利要求1的传感器，其特征在于，所述柔性膜片是金属箔或镀金属的聚合物膜。
4．如权利要求1的传感器，其特征在于，所述柔性膜片的厚度不小于10μm。
5．如权利要求1的传感器，其特征在于，所述毛细管的内径比所述光纤直径大0.8-4％。
6．如权利要求1的传感器，其特征在于，所述第二毛细管内表面与所述毛细管外表面之间的间隙是5-20μm。
7．如权利要求1的传感器，其特征在于，所述第二毛细管插入所述毛细管的深度为1-2mm。
8．如权利要求1的传感器，其特征在于，所述两种毛细管的长度是2-4mm。
9．如权利要求1的传感器，其特征在于，所述光纤的一端伸出所述第二毛细管的长度为0.5-1mm。
10．如权利要求1的传感器，其特征在于，Fabry-Perot干涉仪反射表面之间的距离是10-1000μm。
11．如权利要求1的传感器，其特征在于，用环氧树脂将所述第二毛细管固定在所述毛细管中。
12．如权利要求1的传感器，其特征在于，用环氧树脂将所述光纤固定在所述毛细管中。
13．一种光纤压力传感器，包括Fabry-Perot干涉仪，Fabry-Perot干涉仪的反射表面由光纤的端面形成，其中的一个光纤是单模态光纤，该光纤的两端部沿一个毛细管的轴线设置，其特征在于，所述传感器还包括一个第二毛细管和一个柔性膜片，一个第二光纤段固定在所述柔性膜片中，而所述柔性膜片安装在所述第二毛细管一个端面侧，所述毛细管沿着所述第二毛细管的轴线安装并固定在所述第二毛细管的另一端面侧。
14．如权利要求13的传感器，其特征在于，所述毛细管由硅玻璃构成。
15．如权利要求13的传感器，其特征在于，所述柔性膜片由有机硅弹性材料构成。
16．如权利要求13的传感器，其特征在于，所述柔性膜片的厚度是100-400μm。
17．如权利要求13的传感器，其特征在于，所述毛细管的内径比所述光纤的直径大10-40％。
18．如权利要求13的传感器，其特征在于，所述第二毛细管的内表面与所述毛细管的外表面之间的间隙是5-20μm。
19．如权利要求13的传感器，其中，所述毛细管插入所述第二毛细管的深度为1-3mm。
20．如权利要求13的传感器，其特征在于，所述两种毛细管的长度是2-4mm。
21．如权利要求13的传感器，其特征在于，所述第一光纤的一端插入所述毛细管的长度为300-500mm。
22．如权利要求13的传感器，其特征在于，所述第一光纤的一端插入所述毛细管的长度为250-400mm。
23．如权利要求13的传感器，其特征在于，光纤端面之间的距离是30-100μm。
24．如权利要求13的传感器，其特征在于，所述第一毛细管内的自由体积内充有气态物质。
25．如权利要求13的传感器，其特征在于，用环氧树脂将所述毛细管固定在所述第二毛细管中。
26．如权利要求13的传感器，其特征在于，用环氧树脂将所述第一光纤固定在所述毛细管中。
27．一种制作柔性膜片的方法，包括：将一个膜片安装到一个第二毛细管的端面，其特征在于，将一个光纤段插入一个毛细管，之后将聚合液体输入所述毛细管的一端面侧内，浸润所述毛细管的所述端面和所述光纤，所述液体数量足以在所述第二毛细管的内表面和所述光纤段上形成弯月面，并且所述液体薄膜紧密地封闭所述第二毛细管的整个所述端面。
28．如权利要求27的方法，其特征在于，将一段多模态光纤插入所述毛细管。
29．如权利要求27的方法，其特征在于，所述光纤段的一端以一间隙插入所述毛细管，所述毛细管在与所述第二毛细管插入所述光纤的一侧相反的一侧，插入所述第二毛细管。
30．如权利要求27的方法，其特征在于，所述的聚合液体是有机硅化合物，该化合物聚合时形成柔性的、类似橡胶的膜。
31．如权利要求27的方法，其特征在于，所述的聚合液体是硅酮橡胶、气密封剂或水密封剂。
32．如权利要求27的方法，其特征在于，所述毛细管的内径比插入其内的所述光纤直径大8-36％。
33．如权利要求27的方法，其特征在于，在输入聚合液体后立即用干光纤段或细丝除去多余的聚合液体。
34．如权利要求27的方法，其特征在于，所述液体聚合后，切去从所述毛细管伸出的光纤端部。
35．如权利要求27的方法，其特征在于，插入所述毛细管的光纤端面是经刻划后沿所述光纤轴线进行延伸而裂开然后破碎而制成的。
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